JPH06289590A

JPH06289590A - フォトマスク及び露光方法

Info

Publication number: JPH06289590A
Application number: JP7712193A
Authority: JP
Inventors: Takashi Sugihara; 孝志杉原; Takashi Fukushima; 隆史福島; Toshikimi Takagi; 悛公高木
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1993-04-02
Filing date: 1993-04-02
Publication date: 1994-10-18
Anticipated expiration: 2014-11-22
Also published as: JP2980479B2

Abstract

(57)【要約】【目的】露光装置の限界を超えた解像度と焦点深度を
得ることのできるフォトマスクとその露光方法を提供す
る。【構成】従来からのマスクの露光パターンに応じた遮
光部（Ｃｒ）を有する面の全面に透明層を形成し、さら
にその上層に半透明膜を配置する事により、パターンの
開口部から入射した露光光が、半透明膜と遮光膜間でこ
の透明層内を多重反射し、かつ、透明層の膜厚を多重反
射光が１往復で位相変化が１８０°となるように作製す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、フォトマスク及び露光
方法に関する。ことに半導体素子、液晶素子、誘電体・
強誘電体素子、磁性体素子、超電導体素子の製造に用い
られる投影型露光装置に適用され、基板上に形成される
レジストパターンの解像度並びに、焦点深度の向上に関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体素子の高集積化に伴い、よ
り微細なパターンでの回路構成が求められリソグラフィ
技術に対する一層の微細化要求が著しい。そこで、ステ
ッパと呼ばれる投影型露光装置を用いその要求に応ずる
べく検討が成されてきた。従来からの検討の中心は露光
装置に用いる光源波長の短波長化とそれに伴う、光学
系、レジスト等の周辺技術の改良に重点がおかれ、高圧
水銀ランプの輝線であるｇ線（波長：４３６nm）、ｉ線
（波長：３６５nm）、さらにはＫｒＦエキシマレーザを
用いたDeep UV 領域（波長：２４８nm）まで達しようと
している。しかしながら、特に半導体素子の急速な高集
積化に伴い、回路の最小線幅要求は０．３μｍ以下さら
に０．２μｍ以下と光源の波長と同等かそれ以下の値に
近ずきつつある。

【０００３】投影型露光装置の限界解像度（Ｒ）と焦点
深度（ＤＯＦ）は一般的に以下のレーリーの式により求
められる。Ｒ＝ｋ₁λ／ＮＡ（１）ｋ₁：プロセ
スにより決まる定数、 λ ：光源の波長（nm）、ＮＡ：投影レンズの開口数ＤＯＦ＝ｋ₂λ／（ＮＡ）² （２）ｋ₂：プロセ
スにより決まる定数したがって、（１）式から光源の短波長化なしに解像度
の向上を図るためには投影レンズの高ＮＡ（開口数）化
が挙げられる。しかしながら、高ＮＡ化は（２）式より
明らかなようにリソグラフィにおけるもう一つの重要な
特性である、焦点深度の低下を招き両特性の良好な達成
にはＮＡの最適化が必要である。また、高ＮＡ化は作製
技術的にも困難を伴い、現状得られる最大のＮＡは０．
５程度である。さらに、一般的に用いられている石英系
のレンズ材料ではより短波長域においての色収差の補正
が難しく吸収も増大する事から、発熱によるレンズ歪が
問題になってくる。

【０００４】そこで、近年光源の波長、投影レンズのＮ
Ａの改良なしに解像度、焦点深度の向上を図る３つの方
法が提案されている。第１の方法（特開昭５７−６２０
５２）は、周期的なマスクパターンの不透明部を挟む両
側の光透過部の少なくとも一方に隣合う光透過部と位相
の１８０°反転する透明膜を形成することにより、同一
ＮＡのレンズに比較して解像度を高めることができる。
第２の方法（特開昭６２−６７５４７）は孤立（単一）
の光透過部の解像度向上手段として、単一の光透過部の
両側に透過光の位相を１８０°反転した解像限界以下の
光透過部を設けることにより得ようとしている。第３の
方法（特開平４−１０１１４８）は、照明光学系の瞳面
かその共役面あるいは投影光学系の瞳面の少なくとも１
ヶ所に、マスクの微細パターンから得られるフーリエ変
換パターンに基づいて定めた１組以上の透光部を有する
遮光板を設け、同一ＮＡのレンズに比較し解像度と焦点
深度の向上を図ることが提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】光源の波長を短波長化
することは解像度等の向上に重要であるが、短波長化に
伴う（狭帯域化した光源と）収差のない光学系の構築、
ならびに、露光波長域に適した透過率を有するレジスト
を中心とした周辺プロセスの構築等露光システム全体と
しての高性能な成立が必要であり、光源波長の短波長
化、縮小投影レンズを中心とした光学系は限界に近ずき
つつある。また、当然ながらこれらの露光装置、ならび
に露光プロセスに対する投資も増大しコストの低減が難
しい。

【０００６】それに対してマスクへの加工あるいは露光
装置の光学系への遮光板の設置により、解像度、焦点深
度等の改善を図る方法は、これまで通りの光源波長とレ
ンズが適用でき、かつ、レジスト等の周辺プロセスも生
かせることで、大幅なコスト増なしに展開でき有利であ
る反面以下の問題点を有す。上記第１の方法は、両特性
において改善が認められるものの、規則的な繰り返しパ
ターンでなければ効果が得られず、また、シフタ端部で
の位相反転によりマスクパターンにないパターンを転写
する場合がある。さらに、実際の回路をレイアウトする
場合は、複雑な回路パターン中に良好な効果が得られる
ようにシフタを配置する必要があり、この作業が非常に
煩雑となるばかりか、回路構成によってはシフタレイア
ウトに矛盾を生じシフタの配置が困難な場合も発生し、
実用化に向けて大きな障害となっている。また、マスク
の作製においてもシフタを不透明パターンの上部、下部
のどの位置に形成する場合でも、従来のマスク作製工程
にはない重ね合わせのプロセスを要し、高精度要求と共
に工程の増加を招く。欠陥の検査・修正に関してもシフ
タについては従来のＣｒ膜とは異なり、透明膜に対して
実施されるため、検査・修正とも実用的な手法が得られ
ていない。

【０００７】第２の方法は、単一部の解像度向上に有益
であるが、両側に形成する透過光の位相を１８０°反転
した光透過部（補助パターンと呼ぶ）を要すためやはり
パターンレイアウトの制約が大きく、また、補助パター
ンのサイズによっては転写されてしまう場合もあり問題
となる。第３の方法は、シフタ等を形成しない従来通り
の通常マスクを用い、照明系へ遮光板を配置するだけで
特性の向上が図れ有益であるが、適応できるパターンは
規則的な繰り返しパターンに限られ、また、限定された
レイアウト方向でしか良好な効果が得られないパターン
のレイアウト方向依存も有し、すべてのパターン，レイ
アウト条件に対して効果が有効となるわけでなく、実用
上問題である。

【０００８】本発明は、上記に示した問題を鑑み、投影
型露光装置の波長及びレンズのＮＡの改善なしに、露光
光の焦点深度を向上させ微細パターンの解像性を向上す
ることのできるフォトマスク及びそれを用いた露光方法
を提供しようとするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明によれば、透明
基板上に、単一または複数の開口部を有する遮光膜と、
遮光膜上を含む全面に形成された透明膜と、さらにこの
上に形成された半透明膜とからなり、透明膜が、透明基
板から遮光膜の開口部を通って透明膜を通過した後、半
透明膜で反射し透明膜内を１往復した光と半透明膜で反
射しない光との位相差を１８０°にしうる膜厚を有する
フォトマスク板が提供される。

【００１０】上記透明基板は、例えばガラス、石英、溶
融石英、合成石英、螢石等から形成することができる。
上記遮光膜は、基板側から入射した光を開口部以外で遮
光すると共に開口部から入射し透明膜を通過して半透明
膜で反射し再び透明膜を通過した光を反射するためのも
のであって、例えばＣｒ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ等の所
定の膜厚の膜を用いることができる。この膜厚は、遮光
に必要な大きさであって、通常０．０５〜０．２５μｍ
である。

【００１１】上記透明膜は、下方の半透明膜で反射され
ずこの膜を通過する光と、下方の半透明膜で１回反射さ
れさらに上方の遮光膜で反射されてこの膜を通過する光
とが位相差１８０°で干渉する膜厚に設定するのがよ
い。この膜厚は、実質的に式Ｉ

【００１２】

【数１】（ただし、ｔは膜厚、ｍは正の奇数、λは光（露光光）
の波長、ｎは透明膜の屈折率、θは光の透明膜への入射
角である）で示される距離に相当するように設定され
る。光は、開口部の透明膜面に対して斜めから入射され
た場合一層効果的であり、ｉ線の波長で０．３μｍ以下
の解像パターンサイズを考えると、入射角θが、通常２
〜１１°に設定されるが０°〜２°の直入射においても
有効である。

【００１３】この発明においては、複数の開口部を有す
る遮光膜を用いる場合、透明基板上に遮光膜を形成する
前にもう一つ半透明膜を形成するのが好ましい。この半
透明膜（上方）は、遮光膜の開口部から入射し透明膜を
通過して半透明（下方）で反射し再び透明膜を通過した
光を反射するためのものであって、例えばＣｒ、Ｔａ、
Ｍｏ、Ａｌ等の所定の膜厚のものを用いることができ
る。この膜厚は通常０．０３〜０．１２μｍである。

【００１４】この発明のフォトマスクは、例えば次のよ
うにして投影型露光装置に配設して用いることができ
る。すなわち、投影型露光装置の光源側の光を、順に遮
光板、コンデンサレンズ、請求項１又は２のいずれかの
フォトマスク、および投影レンズに通して基板上の感光
性材料に露光する。

【００１５】上記遮光板は、光源側の光を受け、コンデ
ンサレンズの中央部への光を遮光し周辺部への光を透光
させ、コンデンサレンズが主に周辺部に受けた光をフォ
トマスク板へ斜方から入射させることができる。また上
記遮光板は、投影型露光装置に用いるコヒーレントファ
クタσで表現すると通常遮光部を形成する中央領域が
０．２〜０．５の半径であり、透光部を形成する周辺領
域が０．２〜０．５の内径で≧０．３の外径である。

【００１６】

【作用】単一パターンの場合パターンが微細となり転写
マスクパターンのウェハ面上での光強度差（コントラス
ト）が低下すると当然のことながら、マスク通りのパタ
ーンは解像できない。この点は、前にも述べたように、
マスクの隣あう透明部にシフタを形成し、露光光の位相
を１８０°反転させる手法、あるいは、光源系に遮光板
を設置する手法にても改善できない。そこで本発明マス
クによる単一パターンに対する解像度の向上を説明す
る。

【００１７】図４（ａ）に従来のフォトマスクの断面図
を示す。１はガラス基板、２は遮光膜のＣｒ膜で、露光
光は光透過部の３で回折され図４（ｂ）に示すように、
０次光と±１次光の３光束で投影レンズによりウェハ５
上に結像される（１次回折光を図中破線で示した）。ま
た、１次以上の高次回折光も生じるがそれらはほとんで
結像に寄与しない。これがより一層微細パターンとなっ
た場合図４（ｃ）に示す。光透過部３で回折された±１
次光が投影レンズを透過できず（投影光学系の瞳にケラ
レ）、この微細パターンを解像することができない。そ
こで、露光光学系のコヒーレントファクタ（σ）を調整
し露光光のコヒーレンシィを低下させる、あるいは、照
明光学系に適当な遮光板を配置するなどしてマスクに入
射する露光光の斜入射成分を増大することで図４（ｄ）
に示すように０次光と片方の１次回折光を用いた２光束
結像（もう一方の１次回折光は瞳にケラレる）により通
常の直入射では解像できない微細パターンの解像が試み
られたが、図４（ｅ）に示す規則的な繰り返しパターン
のように隣あう光透過部で露光光の位相が１８０°反転
している場合は、０次光どうしと＋１次回折光（仮に、
＋１次回折光とする）どうしがそれぞれ干渉して微細パ
ターンのピッチで決まる回折角を実効的に低減し斜入射
の効果が得られるものの、単一パターンでは隣あうパタ
ーンがないためこの効果を達成できない。

【００１８】図１（ａ）に本発明のマスク断面図を示
す。単一パターンにおいても微細パターンに対する解像
度向上を図るため、図４に示した通常のフォトマスク構
成に加え、Ｃｒ膜上、かつ、ガラス基板全面にもう１層
透明領域６を形成し、さらにその上部に半透明膜７を設
ける。このため図１（ｂ）に示すように、単一の光透過
部３で回折された０次光と＋１次光はそれぞれガラス基
板上に形成された透明領域内で、Ｃｒ膜と半透明膜の間
を多重反射し、疑似的な繰り返しパターンとみなすこと
ができる。しかも、１往復で位相が１８０°反転するよ
うな膜厚で透明領域を作製しておけば、図４（ｅ）の繰
り返しパターンの説明と同様に、干渉した光は実効的な
回折角の低減を招き、単一パターンにおいても良好な微
細パターンの解像効果を得ることができる。

【００１９】次に、この内容をウェハ面上の光強度分布
で説明すると、通常のフォトマスクに対して斜入射の効
果を適用しようとした場合を図２に示し、図２（ａ）に
マスク断面図、図２（ｂ）にウェハ面上での振幅分布の
概略図、図２（ｃ）にウェハ面上の光強度分布の概念図
を示す。このように斜入射だけでは遮光部まで広がった
光強度分布となり、微細パターンを解像できない。一
方、図３に本発明の多重反射を利用した方式を示す、図
２と同様の構成で図示してある。隣あう光束の位相が１
８０°反転し、また、反射の度に透過率が低下するため
概念的には図３（ｂ）に示す振幅分布となり、位相の反
転を利用する事で、通常のフォトマスクに比較して広が
りが大幅に抑制された図３（ｃ）の光強度分布が得ら
れ、超微細パターンの良好な解像を可能とする（ただ
し、光強度は若干低下するもののコントラストに問題は
ない）。

【００２０】規則的な繰り返しパターンの場合を図５
（ａ）に示す。繰り返しパターンの場合は前述の図４
（ｅ）に示したように通常フォトマスクにおいても、斜
入射成分の増大により、隣あう光透過部３からの光の位
相を１８０°反転させて向上できるが、本発明の基板上
への透明膜６と半透明７、８を形成し多重反射を利用す
る方法は、１往復の反射で位相を１８０°反転させるた
め、隣あう光透過部で多重反射光と入力光あるいは１次
回折光の位相は整合しており、同位相の多重反射光が重
ね合わされ（模式図を図５（ｂ）に示す）、図４（ｅ）
で説明したと同様の解像性の向上が図れる。したがっ
て、繰り返しパターンと単一パターンが共存する場合に
も本手法のマスクは解像性の向上に対して有益である。
ただし、繰り返しパターンの場合は図５（ａ）に示した
ように遮光膜のＣｒの下部にもあらかじめ半透明膜８を
形成しておいた方が望ましい。

【００２１】焦点深度（ＤＯＦ）は、図４（ｂ）に模式
的に示したように通常のフォトマスクでは０次光と±１
次光の３光束結像となり、０次光と±１次光では光路差
を生じるため焦点深度は低下する。これに対し、例えば
図４（ｄ）に模式的に示したように、本発明を含む斜入
射成分を利用した手法では、０次光と片方の１次回折光
の２光束結像（もう一方の１次回折光は瞳にケラレる）
となり、２光束の間にほとんど光路差を生じる事なく良
好な焦点深度が得られる。

【００２２】以上の説明は露光光の斜入射成分による特
性を中心に進めたが、本発明のマスクによる特性向上効
果は、斜入射露光光に限定されるものではなく、通常の
投影型露光装置におけるように、直入射が支配的な光学
系であっても開口パターンにより所定の角度に回折され
た±１次回折光の多重反射を利用して良好な解像度、焦
点深度の改善が得られる。

【００２３】

【実施例】以下に本発明の実施例を述べる。実施例１本発明の第１の実施例として単一パターンを有すマスク
の断面構造を図１（ａ）に示す。１はガラス基板、２は
遮光膜のＣｒであり、作製は１のガラス基板上に２のＣ
ｒ膜形成後Ｃｒ膜を所定の形状にＥＢ露光・エッチング
して３の光透過部を得る。この後６の透明膜をガラス基
板全面に形成するが、透明膜の形成材料としてはこの実
施例ではＳＯＧ（スピンオングラス）を用い、５７０nm
の厚みに形成した。また、露光光にはｉ線（波長
（λ）：３６５nm）を用い、露光光に対する屈折率
（ｎ）は１．４５であった。最後に透明膜の上部に半透
明膜７をこの実施例では５０nm厚のＣｒで形成した。透
明膜６の材料としてはこのほかに、スパッタ形成による
ＳｉＯ₂等も有効である。半透明膜の厚みは特性向上と
適切な光強度（露光量）によって適正化されるが、１０
０nm以下程度が望ましい。また、半透明膜８は解像パタ
ーンサイズによっては、図５（ａ）に繰り返しパターン
の例で示したように遮光膜６の上方にも形成される。透
明膜６の膜厚（ｔ）は多重反射光の位相が反射せずに直
進する光に対して１往復で１８０°変化するように設定
する必要があり、図７に模式図を示す様にこの時の片側
の光路長をＬとすると、

【００２４】

【数２】の関係を満たすように形成されなければならなく、この
実施例では９λ／２とし、Ｌ＝約５７５nmの設計値を得
た。このＬは図１（ｂ）等に示すように斜入射成分によ
る光路であり、正確な適正膜厚は光路Ｌと入射角から求
められる。この実施例では≦０．３μｍパターンへの適
用を考へマスク上でのパターンサイズと露光波長によ
り、入射角θ＝約８．５°を得た。ここで、膜厚（ｔ）
はｔ＝Ｌｃｏｓθ （４）により定められ、ｔ＝約５７０nmを得た。

【００２５】以上の工程により作製した本発明のマスク
を、この実施例では露光光学系のコヒーレントファクタ
（σ）がσ＝０．６である投影型露光装置に適用し、図
３（ｃ）に示したような優れたコントラスト特性を達成
し、良好な解像パターンを得ると共に焦点深度の改善も
図られた。また、露光光学系のσ値については０．３以
上程度が望ましい。

【００２６】実施例２本発明の第２の実施例として、規則的な繰り返しパター
ンへの適応例を説明する。マスクの断面図を図５（ａ）
に示したが、マスクの作製法、露光用とも第１の実施例
とほぼ同様であるが、繰り返しパターンの場合は透明膜
６の形成前にも半透明膜８が必要であり、形成後の半透
明膜と同様に約５０nmのＣｒ膜が形成されている。さら
に、この下部Ｃｒ膜８の膜厚制御性・再現性の向上を図
るために図５（ｃ）に示す、ＩＴＯ等の材料からなるエ
ッチングストップ層９の形成も有効である。

【００２７】実施例３本発明の第３の実施例として、図６に示すように照明光
学系のほぼ瞳面に、遮光板１０を配置してマスクに対す
る露光光の斜入射成分の増大を図った露光光学系を有す
る投影型露光装置に本発明のマスクを適応した露光方法
を示す。遮光領域としては、ａ＝０．６の開口領域に対
して中心から２／３の半径に相当するａ領域を円形に遮
光した光学系と中心からｘ，ｙ方向ともａ＝０．４付近
にａ半径約０．２の２組の開口を設けた光学系を用い
た。斜入射成分の増大により、一層コントラストの向上
が図れ良好な解像性、焦点深度の改善がなされた。

【００２８】また、本発明の効果は露光波長によらず、
上記実施例では露光波長にｉ線（３６５nm）を用いた例
を中心に述べたが、この波長に限らずｇ線（４３６n
m）、ＫｒＦエキシマレーザ光（２４８nm）、ＡｒＦエ
キシマレーザ光（１９３nm）等でも同様の結果が得られ
る。

【００２９】

【発明の効果】本発明によるフォトマスク及び露光法
は、従来のフォトマスクに比較して、パターンの解像性
並びに焦点深度で大幅な改善効果が得られ、他の、シフ
タにより露光光の位相を制御する位相シフトマスクによ
る改善手法、露光光学系に遮光板等を配置し、２光束結
像による改善手法等と比較しても、特に単一パターンに
ついては解像性、焦点深度共優れた改善効果を達成して
いる。また、マスクの作製工程も比較的簡便で、従来の
フォトマスクの作製工程に近く、上記位相シフトマスク
に比較するとシフタ配置の煩雑さがなく大幅な工程簡略
化が図れると共に、作製工程上マスク欠陥の発生率も従
来のフォトマスク並であり、実用上極めて有益である。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例で作製したフォトマスクの説
明図である。

【図２】従来のフォトマスクを用いた結像の説明図であ
る。

【図３】この発明の実施例で作製したフォトマスクを用
いた結像の説明図である。

【図４】従来のフォトマスクの説明図である。

【図５】この発明の実施例で作製したフォトマスクの説
明図である。

【図６】この発明の実施例で行った露光方法の説明図で
ある。

【図７】この発明の実施例で作製したフォトマスクの透
明膜内の多重反射の説明図である。

【符号の説明】

１ガラス基板（透明基板）２遮光膜３開口部（光透過部）４投影レンズ５ウェハ６透明膜７，８半透明膜９エッチングストップ膜１０遮光板１１コンデンサレンズ１２フォトマスク

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】透明基板上に、単一または複数の開口部
を有する遮光膜と、遮光膜上を含む全面に形成された透
明膜と、少なくともこの透明膜の上面に形成された半透
明膜とからなり、透明膜が、透明基板から遮光膜の開口
部を通って透明膜を通過した後、半透明膜で反射し透明
膜内を１往復した光と半透明膜で反射しない光との位相
差を１８０°にしうる膜厚を有するフォトマスク。
【請求項２】遮光膜の開口部が、単一なホール、ドッ
ト、スペース、ラインあるいは不定形パターンであるこ
とを特徴とする請求項１記載のフォトマスク。
【請求項３】投影型露光装置の光源側の光を、順に遮
光板、コンデンサレンズ、請求項１又は２のいずれかの
フォトマスク板、および投影レンズに通して基板上の感
光性材料に露光する露光方法であって、上記遮光板が、光源側の光を受け、コンデンサレンズの
中央部への光を遮光し周辺部への光を透光させるか、あ
るいは、瞳面に到達する露光光の一部のみを透過する少
なくとも一組以上の開口を設け、主にコンデンサレンズ
の周辺部に受けた光をフォトマスクへ斜方から入射させ
ることを特徴とする露光方法。